Технология XXI века

Какие возможности на практике открывает нанотехнология, и насколько кардинально нанотехника изменит нашу жизнь?

Нанотехнологии, как следует из самого названия, это технологии на основе молекул ("нано" – 10 в –9 степени). Манипуляции с самыми маленькими физическими субстанциями – атомами и молекулами, по прогнозам специалистов, уже в ближайшем будущем откроют перед цивилизацией беспрецедентные перспективы и станут ключом к будущему жизнеобеспечению человечества во всех сферах его деятельности. Возможности нанотехнологий трудно даже представить, настолько они грандиозны. Нанотехнология занимается проблемами изучения и использования свойств вещества на атомарном уровне. Новые технологии могут в корне изменить медицину, энергетику, биотехнологии, электронику и другие отрасли. В Европе это давно поняли и сегодня активно инвестируют исследования в этой области. Так, например, Германия в этом году намерена потратить на научные изыскания в области нанотехнологий около 300 миллионов евро. Финансовые затраты Японии и США еще выше. Так, сенат США одобрил законопроект, предусматривающий ассигнования в размере 3,7 млрд. долларов США в течение следующих четырех лет на исследования и разработки в сфере нанотехнологий. Администрация Буша считает эту новую отрасль важной статьей проекта бюджета на 2004 год. Причем сенатская версия законопроекта представляет собой компромисс с Комитетом по науке Конгресса США, который предложил израсходовать 2,36 млрд. долларов уже в текущем 2004 году. Однако действительно ли стоит "овчинка выделки": оправдаются ли все фантастические надежды, возлагаемые на молекулярную инженерную, и когда? Джордж Уайтсайд, специалист в области химии из Гарварда, считающийся "отцом-основателем" в данной сфере ("нанопионер, как его называют в Штатах"), заявляет, что уже сегодня возглавляемая им рабочая группа способна производить детали с невиданным доселе пределом точности: одна десятая (!) нанометра. Для сравнения – эта физическая величина не превосходит диаметр атома. Поэтому сегодня, как считает главный "наноинженер", практически нет предела возможного в производстве каких угодно малых вещей и деталей. К тому же, что очень важно, данная технология и техника сравнительно не дороги. Какие же возможности на практике открывает нанотехнология, и насколько кардинально нанотехника изменит нашу жизнь? Возможности просто грандиозные. Например, можно производить невероятно тонкие слои для нанесения на поверхности материала, благодаря чему можно целенаправленно задавать ему определенные свойства, например, водоотталкивающие или, напротив, водопритягивающие. Нанотехнологи разрабатывают самую гладкую поверхность в мире. Материал покрывается иглами нанометровых размеров, затем жидкость, располагаясь между ними, заметно снижает силу трения. Как предполагают ученые, эта разработка может использоваться в судостроительной промышленности, например, при постройке "скользких" подводных лодок. Еще один важный аспект: наноструктуры со временем приведут к созданию нового типа памяти. Исследования, проведенные специалистами Университета Пердью (Уэст-Лафайетт, штат Индиана), открывают пути к созданию новых технологий производства памяти. Нанокольца – это новые наноструктуры, открытые в лабораториях университета, которые позволят повысить быстродействие памяти и плотность упаковки информации, при том, что стоимость этих решений будет приемлема для массового рынка. Сегодня разработчики устройств хранения данных, как и вся индустрия электроники, возлагают надежды на достижения нанотехнологий. Миниатюризация компонентов до десятитысячных долей толщины человеческого волоса (!) дает возможность выпускать все более быстродействующие микросхемы. Но технологический процесс до сих пор находится в стадии разработки, а с уменьшением компонентов растет стоимость их производства. Химик из Университета Пердью Александр Вэй нашел поразительно простое и дешевое решение проблемы хранения данных. Исследовательская группа Вэя разработала метод создания микроскопических – диаметром значительно меньше ста нанометров – колец из частиц кобальта. Эти кольца могут сохранять намагниченность при комнатной температуре и, самое главное, формируются самостоятельно. Кобальтовые частицы представляют собой микромагниты. Формирование колец происходит, когда частицы кобальта оказываются в непосредственной близости друг от друга и притягиваются под воздействием магнитных сил. Следовало полагать, что частицы соберутся в цепочку, но при определенных условиях вместо этого образуются кольца. О создании американскими учеными квантового суперкомпьютера стало известно сравнительно давно, особенно если учесть современные темпы развития в сфере высоких технологий. А недавно умы компьютерщиков во всем мире взбудоражило очередное сообщение о новой революционной компьютерной разработке. Ученые из компании "Хьюлетт-Паккард" запатентовали технологию производства микропроцессоров, в основе которых лежат не кремниевые кристаллы, как в современных процессорах, а молекулярные цепочки. Если не вдаваться в утомительные технические подробности, можно сказать, что в таких процессорах в качестве логических переключателей работают молекулы! Если новая технология получит развитие, то не за горами воплощение в жизнь давней мечты специалистов – молекулярного компьютера, который будет в миллионы раз меньше по размерам, чем современные рабочие станции, и в тысячи раз дешевле. Такие "молекулярные ЭВМ" можно будет в огромных количествах вводить в кровеносную систему человека или встраивать в композитные материалы в качестве "умных" элементов, отвечающих за "правильное" состояние ближайшего молекулярного кластера. Масштабы технологического прорыва, который последует за внедрением новой технологии, даже трудно себе представить – "умные" материалы, которые "помнят" всю свою историю и по команде принимают ту форму, которая у них была несколько лет назад; искусственные фагоциты, которые сами ищут в организме раковые клетки и автоматически их обезвреживают, и так далее, и тому подобное до бесконечности. Такие работы – по созданию молекулярных механизмов – ведутся уже давно, однако только за последний год было совершен ряд значительных технологических прорывов. Например, в прошлом 2003 году обсуждалась возможность создания молекулярных роботов, которые могли работать в организме, убивая злокачественные клетки. Кстати, для транспортировки определенных молекул в нужные места организма (например, молекул микстуры в клетки определенных органов) был создан молекулярный двигатель. Между прочим, подобными изобретениями очень интересуется американское оборонное исследовательское агентство DARPA. Это само уже говорит о том, что американцы придают большое значение работам в сфере молекулярных нанотехнологий. В области военных технологий США также намерены в самом скором времени начать апробацию принципиально новых систем вооружений – полупроводниковых лазеров. "На поверхности стальной пластины толщиной в дюйм (2,5 см) вспыхивает пламя, затем металл начинает течь. Две секунды нужно для того, чтобы прожечь эту пластину насквозь. За эти две секунды 400 световых импульсов "бьют" по чистейшим гранатовым кристаллам, возбуждая их атомы, которые затем начинают выстреливать потоками инфракрасного излучения. Эти лучи тысячу раз отражаются от двух зеркал, накапливаются, и выходят наружу в виде 400 высокоэнергетических импульсов – киловатт на килограмм". Это не бред воспаленной человеческой фантазии, а рассказ очевидца испытания прототипа лазерного оружия в одной из лабораторий Пентагона. Разработки оружия будущего в США идут полным ходом. Основными объектами исследований стали три типа лазеров – химические, лазеры на электронных ускорителях и полупроводниковые. Какому типу будет отдано предпочтение, неизвестно, на кону – миллиарды долларов от Пентагона. У военно-политического руководства в Вашингтоне пока нет единого плана по разработке и внедрению лазерного оружия – есть только ряд проектов. Но едва ли нужно много фантазии, чтобы понять, насколько велик потенциал лазерного оружия, если его удастся сделать достаточно компактным, потребляющим умеренное количество энергии (пока это проблема) и полностью автоматизированным. Автоматические лазерные противоракетные орудия уже неоднократно испытывались в США, с успехом сжигая пролетающие мимо ракеты. Таким образом, Соединенные Штаты, вколачивая миллиарды в сферу данных исследований, сознательно идут к заветной цели – получению принципиально новых систем вооружений, дающих Пентагону неоспоримое преимущество перед остальными странами. В области противоборства террору американские ученые разработали новый детектор отравляющих веществ, отличающийся высокой чувствительностью. Его основу составляют тончайшие углеродные нанотрубки, имеющие нанометровую толщину и обладающие рядом разнообразных замечательных свойств. Как известно, углерод является хорошим адсорбентом, то есть может поглощать своей поверхностью различные активные вещества. При этом электропроводимость углеродных нановолокон, которые обладают ярко выраженными полупроводниковыми свойствами, значительно меняется за счет изменения концентрации дырок. На измерении этого сопротивления и основано действие детектора. В специальной печи исследователи спекли простые углеродные волокна, получив нечто вроде сетки. Затем эту сетку, обладающую большей чувствительностью по сравнению с единичной трубкой, нанесли на внутреннюю поверхность кварцевой трубки длиной 50 мм и с внутренним диаметром 3 мм. Осталось только подсоединить к концам трубки электроды, ведущие к измерительной аппаратуре – и датчик готов. Еще одна область применения нанотехнологий с огромными перспективами – медицина и генная инженерия. Здесь для пионеров нанотехники – непаханое поле деятельности. Так, например, так называемые "золотые нанопатроны" могут находить и уничтожать раковые клетки человека. Маленькие частицы кремния, покрытые золотом, введенные в раковую опухоль, и обработанные затем инфракрасным излучением, убивают раковые клетки. Были проведены успешные тесты на основе рака груди человека. Нанооболочки этих "патронов" разработаны таким образом, чтобы абсорбировать инфракрасное излучение и затем преобразовывать его в тепловую энергию. Эти оболочки имеют маркеры раковых клеток, чтобы "нанопатрон" присоединился только к больным клеткам. Нагревая затем раковые клетки всего до 55 градусов по Цельсию можно разрушить их мембрану, вызывая гибель клетки. Разработать "нанопатроны" стало возможным благодаря тому, что тело человека в основном прозрачно для инфракрасного света. Главными преимуществами новой технологии станет не хирургическое лечение раковых опухолей, а инфракрасное излучение и новые "нанопатроны" безвредны для здоровых тканей человека. Специалисты уверены, что благодаря этому можно будет лечить даже очень маленькие метастазы, которые на сегодняшнее время нельзя определить медицинскими методами. Благодаря нанотехнологиям искусственные кости, суставы и другие имплантанты в будущем смогут обрести возможность самостоятельно бороться с инфекциями. Для исследований в этом направлении ученые из нескольких американских институтов организовали специальную рабочую группу. Самолечащиеся имплантанты будут иметь покрытие из наносенсоров, которые смогут идентифицировать конкретный вид микробов. Используя эти данные, имплантант сам выделит из внутреннего резервуара нужное количество определенного препарата и затем, с помощью тех же сенсоров, проконтролирует эффективность лечения. Информация о состоянии имплантанта может передаваться "наружу" с помощью беспроводной связи. Первые "интеллектуальные" имплантанты, по прогнозам ученых, появятся не ранее, чем через семь лет. И, наконец, последний, но весьма важный вопрос: опасны ли нанотехнологии? И да, и нет. Опасен ли столовый нож? Безусловно, поскольку им можно убить человека. Но если его использовать по назначению, он облегчает человеку жизнь, ибо для того и придуман. То же самое и с нанотехнологиями. Билл Джой, один из основателей "Sun Microsystems" и ведущий ученый этой компании в Пало Альто (штат Калифорния), весьма компетентный специалист в области наукоемких технологий, считает, что исследования в области нанотехнологий и других областях должны быть остановлены перед тем, как они успеют навредить человечеству. "Единственная реальная альтернатива, которую я вижу – запрет или приостановка развития технологий, которые слишком опасны, путем ограничения, или даже преследуя некоторые области науки", – сказал как-то ученый. К панически настроенным голосам присоединяются и другие мнения. Так, в июне прошлого года группа нанотехнологов выпустила то, что называется "Foresight Guidelines" т.е. "линии поддержки Института предвидения". Как и Джой, они считают, что стремительный рост нанотехнологий выходит из-под контроля. Однако ясно, что элементарные запретительные меры не будут эффективными, поскольку технический прогресс – процесс объективный: нельзя запретить человеку постигать окружающий мир и самого себя. Но совершенно очевидно, что необходим жесткий правительственный контроль над опасными исследованиями в данной сфере. Такой надзор сможет предотвратить случайную катастрофу в области нанотехнологий, например, связанную с появлением генетически измененных организмов, вследствие исследований, ведущихся с рекомбинантной ДНК и т.д.